Гаметициды и их применение в селекции

пыльце триплоидных, имеющих пониженную трертильность [8]. Эти данные

свидетельствуют, что пролин .занимает особое место среди других аминокислот

при форми-2—10287 17

ровании пыльцы и, возможно, является определяющим метаболитом нормальных

физиологических процессов.

Пролин пыльцы, по-видимому, вовлекается в самые ранние фундаментальные

реакции гаметогенеза, и его дефицит в пыльниках может иметь прямое

отношение к абортивности пыльцы. Содержание пролина начинает .снижаться на

стадии мейоза и становится прогрессивным к периоду интерфазы микроспор,

когда уже наблюдается дегенерация пыльцевого зерна. Дефицит пролина — это

следствие некоторых дефектов в мейозе или в предшествующей стадии

микроспорогене-за [118]. Параллельно накопление глутаминовой кислоты в

стерильных пыльниках свидетельствует о торможении процессов превращения ее

в пролин, предшественником которого она является. Относительно высокое

содержание аспарагина в пыльниках растений с мужской стерильностью также

обусловлено метаболическими отклонениями.

Индукция мужской стерильности вносит свои коррективы в биосинтетические

процессы не только генеративных органов, но и всего растения. Общее

содержание аминокислот в семенах и вегетативных органах стерильных растений

пшеницы выше, чем фертильных, на 8%, что можно объяснить спецификой

метаболической активности митохондрий стерильных растений [46, 63]. У

нормально развивающихся растений накопление свободного пролина начинается

после редукционного деления и осуществляется за счет притока пролина из

вегетативных органов [8].

Наблюдения за изменениями в динамике развития организма, происходящими

под влиянием веществ с гаметоцидной активностью во взаимосвязанной системе

ДНК—iPHiK—белок—аминокислоты, показали, что наиболее быстро и в

значительной степени изменяются активности энзиматических систем, затем

проявляются ответные реакции в обмене нуклеиновых кислот и белка и

относительно с большим опозданием осуществляются процессы, приводящие к

изменению соотношения свободных аминокислот, органических кислот и аммония

[98].

Многообразие действия хлорированных алифатических кислот на растительный

организм предполагает возможность индуцирования мужской стерильности путем

блокирования .разнообразных метаболических путей.

Попытки связать механизм избирательного действия были сделаны при

изучении ряда хлорированных производных али-фатических карбоновых кислот,

проявивших гаметоцидные свойства. Одним из предполагаемых механизмов

селективного действия ар-дихлоризомасляной (FW-450) и трихлоруксус" ной

(ТХУ) кислот считают торможение ферментативного син-

18

теза пантотеновой кислоты из пантоевой и (3-аланина [20]. Физиологическая

роль пантотеновой кислоты связана с тем, что она является функциональной

группой конденсирующего фермента КоА. Хлорированные алифатические кислоты

выступают антиметаболитами р-аланина, поэтому синтез цантотено-вой кислоты

является одним из чувствительных метаболических путей к этой группе

соединений. Действие FW-450 определяется конкуренцией с 2,4-диокси-р-

метилмасляной кислотой за локус, специфически активирующий фермент.

Аналогичный эффект отмечен при действии 2, 3, 3-трихлормасляной к 2, 3-

дихлормасляной кислот. Недостаток рибозы (одного из компонентов КоА)

повышает токсичность FW-450 и этрела. Исследования гербицидного действия

производных алифати-ческих карбоновых кислот показали, что эффект

применяемых соединений обусловлен нарушением синтеза КоА. В результате

возникает дисбаланс в соотношении ряда аминокислот трикарбонового цикла.

При этом снижается количество лимонной и возрастает содержание яблочной

кислоты, происходит более интенсивный синтез р-аланина и аспарагиновой

кислоты.

В настоящее время преждевременно судить об определенной специфичности

действия конкретных гаметоцидов, о «месте первичного действия» соединения.

Возможно, механизм гаметоцидного действия определяется конкуренцией между

веществом, обладающим гаметоцидньши свойствами, и определенными

естественными метаболитами тканей генеративных органов.

На основании исследований конкуренции между пантоте-натом и далапоном

появилась возможность предсказать новые аналоги пантоата в виде

хлорзамещенных алифатаче-ских кислот. Были синтезированы 4 соединения,

биологическая активность которых (в данном случае гербицидная) варьировала

в зависимости от степени хлорирования и место

[pic]

положения хлора: (далапон); при кон

центрации 0,005 М активность далапона составляла 76%, при 0,05 М—99%.

У соединения

активность при тех же

[pic]

концентрациях составляла соответственно 77 и 100%.

19

[pic]

проявляли фитотоксический эффект: при концентрации 0,05 М он был равен 97 и

12%, при 0,05 М — соответственно 100 и 83%.

Таким образом, степень биологической активности препарата не имеет прямо

пропорциональной зависимости от концентрации вещества, что свидетельствует

о сугубо физиологической активности соединения, связанной с особенностями

метаболизма растения.

В исследованиях по биохимизму действия ряда гербицидов установлено

существенное влияние их на трансформацию энергия в клетке, повышение

интенсивности окислительных процессов и угнетение фосфорелирования в

митохондриях [10, 14, 21, 23]. Нарушение сопряженности окисления и

фосфорелирования — результат угнетения активности многочисленных ферментов

цикла Кребса и дыхательной цепи мито-хондрий. Получены дополнительные

сведения о гербицидах, обладающих одновременно и гаметоцидной активностью.

В частности, при нанесении далапона на растения люпина .изменялось

соотношение сульфгидрильных и дисульфидных групп, входящих в состав

активных центров многочисленных энзимов, участвующих в разнообразных

ферментативных комплексах [13]. Кроме того, установлено повышенное

содержание изофлавоновых глюкозидов и изменение их состава при o6pai6oTKe

растений 2,4Д [22].

Появление хинонов — продуктов окислительного превращения фенольных

соединений с высокой биологической активностью и их взаимодействие с амино-

и сульфгидрильны-ми группами белков, сульфгидрильными группами аскорбиновой

кислоты и другими SH-содержащими компонентами клетки обусловливают

блокирование целых систем энзимати-чески взаимосвязанных комплексов. От

окислительно-восстановительных условий и энергетических возможностей ткани,

особенно спорогенной, зависят синтез и обмен важнейших органических

соединений.

20

Характерными признаками ЦМС у сорго являются угнетение окислительно-

восстановительных процессов и снижение энергетического обмена [41].

Различия в активностях АТФ'азы обнаруживались у стерильных аналогов уже в

фазе тетрад и сохранялись в дальнейшем на всех фазах развития микроопор

[16]. Среди соединений с гаметоцидными свойствами 2,4Д снижает содержание

АТФ и АДФ — адениннук-леотидов, основных аккумуляторов энергии в клетке.

Установлено, что 2,4Д ингибирует активность аденилаткиназы — фермента,

осуществляющего равновесное соотношение компонентов аденилатного пула: 2

АДФ ^ АМФ+ДТФ [21].

Растительные гормоны, проявившие гаметоцидные свойства (2,4Д, ИУК, НУК,

ГКз и т. п.), могут индуцировать мужскую стерильность на тех уровнях

метаболических процессов, на которых они оказывают свое регуляторное

действие:

на уровне генома, мембран, аллостерического эффекта. Возможно и

одновременное влияние их на разные уровни, но во всех случаях отмечена

взаимосвязь физиологически активных веществ, к которым относятся

гаметоциды, с изменениями в энергетическом обмене клетки.

Существование специфических рецепторов в клеточных структурах и

мембранах, способных обратимо связывать ауксины [25], может служить

молекулярно-биологической интерпретацией действия ряда соединений,

проявивших гаметоцид-ную активность на различных культурах и относящихся к

ауксинам (ИУК, НУК, 2,4Д, Г.Кз, кинетин и др.) [11, 12, 14, 17, 58, 135].

Отмечено, что растительные гормоны (2,4Д, ИУК, ГКз), вызывающие при

определенных концентрациях различную степень индукции мужской стерильности,

влияют на активность энзимов, связанных с метаболизмом углеводов,

определяющих структуру клеточных оболочек, с такими как р-1,4-глюканаза, р-

1,3-глюканаза, (3-1,6-глюканаза я гемицеллю-лаза, а также а-1,3- и а-1,6-

глюканазы [73, 99, 136]. Повышение активности глюканазных энзимов

взаимосвязано с процессами деструкции их субстратов, а следовательно, и с

изме-нениями в каллозной оболочке материнской клетки пыльцы и формирующихся

тетрад, так как она является Р-1,3-свя-занным полимером глюкозы.

Установлено, что ИУК и 2,4Д способствуют увеличению р-1,3-глюканаз'ной

активности, в результате чего разрываются перекрестные связи в пределах

клеточных стенок и оболочек, что обусловливает возрастание их эластичности

и проницаемости [55].

Введение ИУК в растительную клетку повышает утилизацию глюкозы путем

активации энзима УДФ-зависимой глю-кансинтетазы, локализованной в пределах

аппарата Гольд-21

жи, что способствует формированию и повышенному содержанию глюканов,

галактанов и пентозанов [42]. Подобным образом 2,4Д включается в один из

уровней метаболизма клетки (через углеводы, путем активации плазменной,

связанной с мембранами глюкансинтетазы), что способствует утилизации УДФ-

арабинозы я увеличению количества связанных остатков арабинозы с галактаном

[136]. Повышение числа сшивок в молекулах галактана изменяет пластичность

клеточных стенок. Вместе с тем аккумуляция 2,4Д в мембранах вызывает

нарушение комплекса связанного с мембранами белкового фактора, который

обусловливает активность PHiK полимеразы, транскрибирующей определенные

мРНК [66].

В опытах по конкурентному вытеснению связанных эффек-торов (производные

феноксиуксусной кислоты и ИУК) наглядно продемонстрировано, что связывание

биологически активных хлорированных производных мембранами (эффектор-

рецептор) носит специфический характер [14]. Изменяя функциональную

активность мембран и связанных с ними энзи-мов, ауксины с гаметоцидными

свойствами могут вызывать индукцию синтеза определенных мРНК, ответственных

за •продуцирование ряда энзимов, среди которых имеются ферменты,

преобразующие углеводные компоненты мембран и клеточных оболочек.

Возрастающая при этом проницаемость может вызывать нарушение селективной

изоляция формирующихся тетрад с последующим их деградированием.

Предполагают, что каллозная оболочка функционирует как «молекулярный

фильтр», позволяющий проникать внутрь материнских клеток пыльцы основным

питательным элементам, за исключением больших молекул. Последние в эту

раннюю фазу могут помешать установлению автономии ядра гаплоид-ной споры в

пределах собственной цитоплазмы [98].

Химическая изоляция материнских клеток пыльцы в стадии тетрад от

окружающей диплоидной цитоплазмы является необходимой предпосылкой

нормального развития пыльцы [94]. Установлено, что меченый тимидин

поступает в материнские клетки пыльцы только до формирования каллозной

оболочки, но не проникает, если они заключены в каллозу [72]. При изменении

последней и освобождении тетрад метка свободно поступала в микроспоры. Эти

наблюдения позволили сделать вывод о функционировании каллозной оболочки

как «молекулярного фильтра».

Каллозное покрытие материнских клеток пыльцы функционировало как

молекулярное сито: каллоза пропускала глюкозу и углекислый натрий, но

задерживала фенилаланин, размер молекулы которого гораздо меньше глюкозы и

он 22

должен был бы легко проникать в материнские клетки пыльцы [123]. Выводы J.

Heslop-iHarrison и A. Mckenzie [72] также сомнительны, так как метка могла

не включаться ввиду отсутствия синтеза ДНК. В других исследованиях

показано, что роль каллозной оболочки значительно сложнее, чем «простого

молекулярного фильтра» [4, 130].

ПОСТУПЛЕНИЕ В РАСТЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В НИХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ

ВЕЩЕСТВ

Для успешного поиска химических соединений, обладающих высокой

селективностью гаметоцидного действия, необходима информация о поступлении

и распределении экзрген-но наносимого на стебли и листья препарата. Степень

поступления и скорость распределения химических соединений зависят от морфо-

физиологических особенностей листовой пластинки, химических характеристик

наносимого препарата, окружающих условий и других факторов. У различных

видов культурных растений, с которыми проводили эксперименты с целью

химической индукции мужской стерильности, в значительной степени варьирует

толщина кутикулы и соотношение ее компонентов (воск, кутан, пектин,

целлюлоза), а также внешняя эпидермальная оболочка [44, 56, 60, 65, 69,

75].

С помощью химических методов анализа исследовали ку-тикулярный слой

листьев 24 видов овощных и плодовых культур [77]. Установлено разнообразие

в составе и соотношении веществ листовой поверхности и значительные

различия в толщине и составе мембраны кутикулы. Однако основные структурные

компоненты кутикулы характерны для всех растений. Кут.ин представляет собой

полимолекулярную сеть гид-рокси-карбокоильных кислот с простыми и сложными

эфирными связями. С кутанным матриксом связаны полисахар.иды и кутикулярный

и этикулярный воск, богатый алканами. Так как в кутикуле имеются полярные и

неполярные группы, она обладает как гидрофильными, так и липофильными

свойствами [45].

Одним из важных факторов, определяющих степень эффективности действия

гаметоцида, является зависимость его. активности от климатических и

погодных условий, которые необходимо учитывать при разработке доз и

концентраций для конкретных возделываемых культур и представляющих их

сортов. Однако до сих пор не удалось установить четких взаимосвязей между

влиянием условий среды и проницаемостью листовой поверхности, хотя развитие

кутикулы коррели-

23

рует с продолжительностью светового периода, инсоляцией, влажностью почвы и

воздуха, температурой [81].

Температурный режим является одним ,из самых определяющих условий

развития кутикулы и распределения наносимого препарата [83]. При нанесении

препарата в разные фазы органогенеза следует учитывать, что с возрастом

листа снижается абсорбционная способность. Р. М. Nelson и R. К. Reid fl05]

доказали, что метиловые эфиры жирных кислот — Lg-ii вызывают гибель

меристематических тканей, но не разрушают более зрелые ткани. Механизм

такой селективности основан на способности кутикулы действовать как барьер

проницаемости по отношению к наносимому препарату. Это было подтверждено

разрушением кутикулы до нанесения эмульсии (4%-ный метил-деканоат+0,1%-ный

твин 20). Гибель ткани (ожоги) — результат нарушения структуры мембран.

Авторы считают, что твин снижает проницаемость кутикулы и плохо проникает

через кутикулу зрелых листьев.

Поверхностное применение гаметоцидных препаратов с использованием

радиоактивной метки показало, что при нанесении на лист гаметоциды быстро

транслокализуются в репродуктивные органы. Нанесение химикатов на базальную

часть листа обеспечивало более полное поглощение препарата, чем на

апикальную часть. В репродуктивных тканях активно аккумулировались

гаметоциды.

Наиболее подробно абсорбционные особенности химических препаратов изучали

на гербицидах. Детально были исследованы ответные реакции растений двух

сортов капусты, характеризующиеся различной чувствительностью к нитрофе-ну

(2,4-дихлорфенил-р-нитрофениловый эфир) [113]. У обоих сортов не было

обнаружено заметных различий в скорости прорастания семян, росте растений,

плотности устьиц листьев и в транслокализации меченого '^С гербицида.

Однако у растений устойчивого к препарату сорта листья обладали более

восковидной поверхностью, что позволило сделать вывод о корреляции между

блокированием абсорбции и содержанием воска в кутикуле.

Проникновение соединений в ткани листа обусловлено и другими факторами,

характеризующими применяемый раствор: температурой, концентрацией,

продолжительностью времени его соприкосновения с поверхностью растений,

поверхностным натяжением и др. Проникновение веществ возрастает

пропорционально времени и концентрации. Поступление соединения из раствора

в ткани листа осуществляется до тех пор, пока его доза на поверхности листа

или под кутикулой не станет предельной. В полевых условиях эффективность

действия и поступление нанесенного препарата зависят от

24

сложного взаимодействия климатических факторов и внутренних физиологических

тканевых параметров (водный дефицит, значение рН в клетке, концентрация

цнтоплазматиче-ского сока и т. д.).

В ткани листа легче проникают недиссоциирующие молекулы. Повышение

температуры от 10 до 30° увеличивает проницаемость кутикулы и мембран, за

исключением промежутка между 15" и 25°, в пределах которого поступление

носит относительно стабильный характер. Если опрыскивание проводят под

давлением, растворы проникают в основном через устьица, однако вещества с

поверхностным натяжением, близким к поверхностному натяжению воды (70

дин/см2), через устьица не проникают ,[54].

При селективности абсорбции у наиболее распространенных видов

сельскохозяйственных культур по отношению к 2,4Д (который обладает и

гаметоцидными свойствами) установлено, что толщина кутикулы является

решающим фактором, а толщина и структура оболочек эпидермальных клеток не

имеют определяющего значения для степени абсорбции препарата. При этом

абсорбционные характеристики старых и молодых листьев значительно

отличались и в обоих случаях зависели от химических свойств препарата.

На проростках конских бобов поглощение листьями меченого по углероду

'^'^^-хлор-о-толил) окиси] бутиловой кислоты было одинаковым для листьев

всех возрастов. Однако замена бутиловой кислоты на радикал уксусной кислоты

вызывала различия в поглощении молодыми (скорее) и более зрелыми

(медленнее) листьями [92]. Таким образом, даже слегка измененная

конфигурация молекулы может в значительной степени повлиять на ее

способность проникать через мембраны [126].

Пока не установлено четкой взаимосвязи между химическими, физическими

характеристиками и проницаемостью препарата в системе клеток.

С помощью энзиматически изолированной кутикулы листьев была создана шкала

проницаемости кутикулы по отношению к ряду алифатических спиртов и их

амидов [138]. Соединения выбирали по способности растворять липиды и по

моле< кулярньш весам. Результаты опытов показали, что кутикула

функционирует в основном как липоидная мембрана, позволяющая веществам

проникать в клетку пассивной диффузией согласно их растворимости в липидах.

Модель молекулярного сита больше подходит для молекул малых размеров.

Коэффициенты проницаемости алифатических спиртов располагаются от этанола к

пентанолу: этанол<метанол<пропа-

25

нол<бутанол<пентанол, а в случае амидов: ацета1мид<про-

пионамид<.бутиламид<1валерам:ид [121].

Однако при подборе алкильных групп для улучшения абсорбция препарата

следует также учитывать возрастание фитотоксичности соединения. При

исследовании действия четырех о-алкилметилфосфонофторидов на проростках

пшеницы была отмечена зависимость фитотоксичности от природы о-алкильной

группы, которая усиливалась в следующем порядке:

этил<изопроп'ил<пипаколил<циклогексил. При этом продукты разложения были

менее токсичны [79].

Методами газовой хроматографии и с помощью сцинтил-ляционного счетчика

изучали различия в абсорбции буто-ксиэтилового эфира и соли аммония 2,4,5-Т

(2,4,5-трихлорфе-ноксиуксусная кислота). Сравнимые результаты показали, что

абсорбция 2,4,5-Т была в 2—3 раза выше при использовании препарата в форме

эфира, чем в форме солей. Однако их передвижение в проводящих системах

растения не зависело от химической формы соединения [100].

В опытах с энзнмат.ически изолированной кутикулой плодов томата, которая

по своим характеристикам близка к кутикуле листа, степень хлорирования (но

не положение хлора при замещении) феноксиуксусной кислоты увеличивала

проницаемость ее галогенопроизводных в следующем порядке:

2,4,5- и 2,4,6-трихлорфеноксиуксусная кислота >2,3- и 3,5-ди-

хлорфеноксиуксусная >2-хлорфенокоиуксусная>фенокс.иук-сусная кислота. Чем

больше полярность феноксиуксусной кислоты, тем легче она проникает через

мембраны [53]. Хлорирование увеличивает растворение феноксиуксусной кислоты

в л.ипидах и тем самым способствует ее проникновению через кутикулу [127].

Хлорирование бензойной кислоты, наоборот, снижает степень проникновения

через кутикулу, и шкала ее проницаемости располагается в нисходящем

порядке: 2-хлорбензойная кислота, 2,4- и 2,5-дихлорбензойная и 2,3,6-

три.хлорбензойная кислота. J. L. Stoddart [132] объясняет это низкой

растворимостью галогенопроизводных бензойной кислоты при заданных рН (2,5;

3,5 и 5,2) в липидах. Степень хлорирования, фто-рирования и метилирования

препаратов обусловливает их биологическую активность и токсичность действия

на растительный организм.

Избирательная способность по отношению к абсорбции различных веществ

растительными тканями связана с физическими свойствами соединений, включая

константу их диссоциации при различной степени хлорирования, фторирова-ния,

метилирования и т. д., а также скорость их распределения в липидной фазе

при данной рН [23, 24, 91]. При обработ-26

ке растений препаратами их проницаемость могут улучшать некоторые

вспомогательные вещества, особенно поверхностно-активные (ПАВ), которые

улучшают контакт между препаратом и поверхностью листа, а также повышают

степень проникновения препарата в растительный организм. Так, абсорбция

2,4Д возрастала в 7—8 раз при введении в раствор тви-на 80 (концентрация

1%) [57].

С помощью '^I" и "'I" метки изучали «крепление» на поверхности листьев

сои препарата ТИБА (2,3,5-тр.ийодбензой-ная кислота) в концентрации 200 мг

[110]. (ТИБА относится к веществам, обладающим гаметоцидной активностью).

Были взяты четыре формы солей ТИБА (натриевая, диметил-амин, диэтиламин и

триэтила'мин) в сочетании с четырьмя ПАВ: твин 20 (полдокоиэтилен сорбитан

монолаурат), тритон 100 (октил фенокоиполиэтоксиэтанол) — оба неионные ПАВ;

арквад 50 (алкил четвертичный аммоний хлорид) —ка-тионное ПАВ и игепон Т-77

(натрий 1\Г-метил-1\Г-омоил та-урат) — анионное ПАВ. Все ПАВ исследовали в

двух концентрациях — 500 и 2000 мг/кг.

Взаимосвязь физико-химических свойств ПА1В и их концентраций с формами

солей ТИБА носила сложный характер. ПАВ оказывали значительное влияние на

закрепление препарата на растениях, а наибольшая разница в степени

«крепления» солей ТИБА встречалась в пределах неионных ПАВ. Следовательно,

это лимитирует выбор ПАВ среди неионных классов, свидетельствуя о их

неспецифичности по сравнению с ионорганическими классами ПАВ.

Физиологическая активность препарата зависела от подбора ПАВ. Низкие

концентрации ионных ПАВ (500 мг/кг) достаточны для достижения максимума

прикрепления нанесенного препарата. Не было отмечено взаимосвязи между

формами солей и ПАВ. Во всех случаях для эффективной абсорбции требовалась

высокая концентрация неионного ПАВ (2000 мг/кг), высокие же концентрации

ионных ПАВ не улучшали степени закрепления препарата, что свидетельствует о

физико-химической взаимосвязи, включающейся в комплекс проницаемости [11

б].

Активность препарата в основном проявляется при возрастании концентрации

этиленокоида в ПАВ, когда его молекулы становятся более гидрофильными или

соотношение гидрофильных (ГФ) группировок к липофильным (ЛФ) в молекуле ПАВ

довольно высокое. Таким образом, для каждого химического соединения с

гаметоцидной активностью подбор ПАВ и его концентраций зависит от физиолого-

химических свойств активного ингредиента.

27

Степень абсорбции препарата растительными тканями во многом зависит от

соотношения группировок ГФ/ЛФ в молекуле ПАВ для определенных концентраций

гаметоцида. В опытах с энзиматически изолированной кутикулой листьев груши

получены результаты, свидетельствующие об изменении проницаемости 2,4Д в

зависимости от значения ГФ/ЛФ (106]. При величине соотношения у ПАВ ГФ/ЛФ,

равной 16,7, не отмечено изменений проницаемости в шкале концентрация 2,4Д

от 0,05 до 1%. Другое неионное ПАВ с ГФ/ЛФ=8,6 способствовало увеличению

абсорбции 2,4Д в 10 раз при значениях его концентраций, близких к 1%.

Третье неионное и высоколипофильное ПАВ (ГФ/ЛФ =4,3) увеличивало поглощение

2,4Д в 15 раз при всех заданных концентрациях от 0,1 до 1%. Эти

исследования показали важную роль активного ингредиента, сопутствующего

ПАВ, в регуляции абсорбции.

Опыты по поглощению и распределению метазола [2-(3,3-дихлордион)] в

смеси с ПАВ (полисборбатом) при различных соотношениях ГФ/ЛФ подтвердили,

что эффект ПАВ обратно пропорционален значению ГФ/ЛФ. Среди различных

параметров для достижения высокого эффекта абсорбции гаметоцида тканями

соотношение ГФ/ЛФ в молекулах ПАВ— наиболее влиятельный фактор,

определяющий степень абсорбции. Трудность подбора такого ПАВ для каждого

определенного гаметоцида связана с тем, что соотношение ГФ/ЛФ может в

значительной степени координироваться сложной взаимосвязью химических и

физических свойств активности ингредиентов смеси, морфологическими и

цитологическими особенностями листа. Поэтому для каждой культуры необходим

дифференцированный подход при подборе ПАВ для получения оптимального

эффекта химической индукции мужской стерильности, вызываемой гаметоцидом.

Некоторые неионные ПАВ силикон-гликолевой природы по сравнению со

стандартными неионными органическими ПАВ могут в большей степени повышать

эффективность химически активных веществ благодаря улучшению абсорбции

тканями. Однако эта группа ПАВ, обладающая большей эффективностью, чем

катионные аминосиликоны, имеет отрицательное свойство — низкую

растворимость в воде [86]. Несмотря на это при всем разнообразии

применяемых в сельском хозяйстве химически активных веществ, в том числе и

гаметоцидов, имеется возможность объединить препараты на основании

одинакового характера абсорбции, что облегчило бы поиск и рекомендации ПАВ

для этих групп.

Характер абсорбции некоторых фторсоединений подобен абсорбции 2,4,5-Т.

Препараты наносили на листья капельным методом в смеси с ПАВ,

характеризующимися различным со-

28

отношением ГФ/ЛФ: полиоксиэтилен (ГФ/ЛФ=20), сорби-тан монолаурат

(ГФ/ЛФ=16,7), сорбитан моностеарат (ГФ/ЛФ =9,6) и полиоксиэтилен

(ГФ/ЛФ=4). В июне наиболее эффективным было применение ПАВ в соотношении

ГФ/ЛФ =9,6, в июле—августе — с соотношением 16,7. Абсорбция веществ,

нанесенных на лист, осуществляется через трихомы и устьица, откуда

соединения распределяются латераль-но через эпидермальные клетки. При

исследовании по подбору .ПАВ для эффективной абсорбции веществ с

гаметоцидной активностью для каждого вида необходимо учитывать (кроме

.физико-химических характеристик самого препарата) стадию .развития

растения и возрастные изменения морфологических характеристик листа,

обусловливающие смачивающую способность его поверхности и относительное

значение специфической абсорбции [100].

ПРИМЕНЕНИЕ ГАМЕТОЦИДОВ(КОНЦЕНТРАЦИИ,ДОЗЫ И СРОКИ ОБРАБОТКИ)

Химические препараты как источники гаметоцидной активности были выделены

из биологически активных веществ различного физиологического действия

(ростактивирующие вещества, ретарданты, гербициды, растительные гормоны .и

гор-моноподобные вещества и т. п.). Среди хорошо известных физиологически

активных соединений гаметоцидная активность была обнаружена у веществ,

обладающих ретардант-к'ыми свойствами: этрела (этефон) — 2-

хлорэтилфосфоновая кислота, далапона — 2,2-дихлорпро.пионовая кислота, ГМК.

Некоторые соединения, кроме фирменных названий, получили определенные

шифры как вещества, проявившие гамето-цидные свойства: мендок, или FW-450

(2,3-дихлоризомасля-ная кислота), FW-676 (кальциевая соль 2,3-

дихлоризомасля-ной кислоты), G-315 (магниевая соль 2,3-дихлоризомасляной

кислоты), u'niroyal D-513 (пропаргил 2-октосульфит), OCDP [N (р-алорфенил)

- 2,4-диметил-6-оксо-3,6-дигидроникоти'новая кислота], RH-531 [натриевая

соль 1-(р-хлорфенил)-1,2-дигид-ро-4,6-ди'метил-2-оксоникотино'вая кислота].

Первые опыты с применением этрела в качестве гаметоцида для мягкой

пшеницы были выполнены в 1961 г. К. В. Porter и A. F. Weise [116].

Предварительные эксперименты в вегетационных сосудах с сортами мягкой

яровой пшеницы Marled и Thatcher дали обнадеживающие результаты. При

обработке растений в фазы кущения, выхода в трубку и колошения растворами в

концентрации 100, 250, 500, 750, 1000, 2000 и 2500 мг/кг из расчета 30 мл

на сосуд с тремя растениями было установлено, что этрел, начиная с дозы 750

мг/кг, индуцировал 100%-ную стерильность у сорта Marfed. В этих

29

опытах исследователи впервые столкнулись с проблемой сортовой специфичности

ответной реакции на обработку гамето-цидом.

'Степень стерильности при тех же дозах этрела у сорта Thatcher была

значительно ниже, чем у Marfed, так как Thatcher был менее чувствителен к

0'бработке препаратом. В полевых условиях опыты проводили с сортом мягкой

озимой пшеницы Nugaines. Обработку этрелом осуществляли в те же фазы

концентрациями 500, 1000, 1500, 2000 и 3000 мг/кг. Опытные и контрольные

варианты размещали рядом с сортами-опылителями, цветущими в разные сроки.

Полная мужская стерильность была отмечена у растений пшеницы, обработанных

растворами этрела в концентрации 1500, 2000, 3000 мг/кг. Максимальная

стерилизация достигалась при нанесении на растения растворов этрела

повышенной концентрации — 2000 и 3000 мг/кг в конце фазы выхода в трубку.

При обработке в период колошения эффективность препарата снижалась. В

опытах сохранилась высокая степень женской фертильности. Стерильные

растения по морфологическим признакам были сходны с растениями пшеницы,

обладающими UjMC. Применяемые концентрации вызывали укорачивание междоузлии

и анормальное колошение отдельных растений [116].

Дальнейшие исследования были направлены на поиск эффективного сочетания

оптимальных доз, концентраций и сроков обработки этрелом зерновых. Так, в

экспериментах по 'ян-дуцированию мужской стерильности у растений мягкой

пшеницы, проведенных в условиях вегетационного домика и в поле, раствор

этрела в дозах 500, 1000, 2000 и 3000 мг/кг наносили в начальной фазе

выхода в трубку и в конце ее. Наиболее эффективными в данных условиях были

дозы этрела 1000 и 2000 мг/кг. Несмотря на нежелательные явления (усиленное

кущение, замедленное колошение, торможение роста и развития,

морфологические анормальности, приводившие в ряде случаев к гибели

растений, и, как правило, к снижению урожайности), Р. L. Rowelil и D. G.

Miller [122] считают, что надежды на этрел как на вещество, селективно

вызывающее мужскую стерильность, довольно обоснованны и имеют практические

возможности, которые лимитируются лишь разработкой конкретных методов

обработки.

J. Law и N. С. Stoskopf [95] применяли этрел в полевых условиях в

различные фазы морфогенеза ярового ячменя. Авторы пришли к выводу, что в

условиях Канады лучшим периодом для обработки растений гаметоцидом является

середина фазы выхода в трубку (фенологически — период появления

предпоследнего листа) при одноразовом внесении до-

3J

зы 1,68 кг/га, которая давала приемлемый уровень мужской стерильности и не

вызывала редукции женской фертильности. Этрел у ярового ячменя не проявлял

гаметоцидного воздействия на яйцеклетку и являлся более потенциальным

стерилизатором, чем другие применяемые с этой целью вещества, при условии

его правильной комбинации с антиретардантны-ми компонентами.

При изучении оптимальных доз этрела (между 1000 и 2000 мг/кг) и времени

его применения на пшенице (сорт Sirius) была поставлена цель — не только

получить полную мужскую стерильность, но и устранить его побочное действие

[80]. На основе предыдущих исследований было рекомендовано применение

этрела до начала мейоза в материнских клетках пыльцы, когда достигалась

наибольшая степень индукции мужской стерильности у пшеницы [47]. Нанесение

этрела после мейоза вызывало нежелательные явления, приводящие к уменьшению

количества колосков в колосе, которое сопровождалось определенной степенью

стерильности макрота'мет (в зависимости от дозы препарата). Концентрация

этрела 2000 мг/кг, вызывающая стерильность пыльцы, может также приводить к

частичной или полной задержке колосьев во влагалищах листьев в результате

сокращения соломины верхнего междоузлия. Наряду с этим, этрел стимулирует

развитие, побочных стеблей, пыльцевые мешки которых часто находятся за

пределами фазы применения этрела и не совпадают с премейотической фазой

археспориальной ткани главного колоса.

Подобные затруднения практического характера возникают в любом случае при

использовании различных гаметоци-дов. '"Определенную степень стерильности

можно химически индуцировать почти на всех этапах развития растений, за

исключением тех, когда уже сформировались зерна. Применение гаметоцкдов на

ранних этапах развития растений не только индуцирует мужскую, а чаще общую

стерильность, но и вызывает патологические формативные эффекты в

растительных тканях. В зависимости от того, на каком этапе произошло

«включение сигнала» механизмов мужской стерильности, можно получить

различные типы мужской стерильности, которые классифицировали на 4 группы

[64].

К первой группе относится стерильность, полученная за счет блокирования

питания в результате прекращения развития и нормального течения процессов

мейоза во внешне нормальных материнских клетках пыльцы, что приводит к

образованию в открытых цветках пыльников, содержащих монады или диады. Ко

второй группе относится стерильность, при которой отмечена дезорганизация

процессов в материнских

31

клетках пыльцы в течение I и II мейотических профаз, что вызывает

иррегуляцию при расхождения клеток в процессе двух мейотических делений. В

материнских клетках в данном случае на стадии тетрад образуется

изолированная группа клеток (более четырех), и микроспоры прекращают рост

после ранней стадии развития экзины. Третья группа стерильности

характеризуется анормально маленькой пыльцой с очень тонкой экзиной. К

четвертой группе относится тип мужской стерильности, обусловливающий

формирование нормальной пыльцы, но без терминальной поры.

При испытании веществ на гаметоцидную активность и поиске оптимального

сочетания доз, концентраций и сроков их нанесения необходим цитологический

контроль за микро-и макроспорогенезом.

Для каждой культуры существует критический период, при котором применение

препарата обеспечивает наибольший эффект мужской гаметоцидной реакции.

Согласно полученным данным, стадия мейоза микроспорогенеза наиболее

критическая для применения этрела на зерновых, обеспечивающая максимум

индукции мужской стерильности. Этот период у пшеницы приходится на

конъюгацию хромосом в течение мейоза и формирование поры пыльцевого зерна

[47, 48]. Однако очень важным периодом для индукций мужской стерильности

является, по-видимому, и премейотическая фаза [94, 98].

В опытах с сортами озимой пшеницы Безостая I .и Nugai-nes цитологически

контролировали изменения в микроспоро-генезе в зависимости от сроков

нанесения этрела. Отмечено, что наибольшая эффективность .индукции мужской

стерильности достигалась при обработке растений в фазе двух- и трехъядерной

пыльцы [30]. 'Под влиянием этрела уже на стадии двухъядерной пыльцы

наблюдались аномалии в развитии вегетативного ядра, контролирующего

трофические функции при формировании пыльцевого зерна по отношению к

спермиям [28]. Этим можно объяснить, что в пыльцевых зернах с возникающими

под действием этрела митотически-ми нарушениями не накапливается крахмал

[48]. Считают, что действие этрела связано с включением его в

эпигенетические механизмы, действующие в период мейоза [30]. Это

обусловливает нарушение в координации трофических функций вегетативного

ядра, переключая его на митотическое деление, т. е. на клеточном уровне

этрел действует не как ингибитор роста, а наоборот, стимулирует вторичное

деление ядер, которые в норме никогда не делятся.

Точное определение критического периода воздействия га-метоцида имеет

свои сложности, так как в литературе рекомендована широкая шкала доз при

использовании одного и

32

1

того же препарата на определенной культуре. Для этрела рекомендуемые

концентрации для обработки зерновых культур, включая тритикале, колеблются

от 1500 до 10000 мг/кг [50, 116, 119, 125].

В условиях Италии почти полная мужская стерильность у яровой пшеницы была

индуцирована при одноразовой обработке растворами этрела с концентрациями

4000 н 8000 кг/га в раннюю фазу выхода в трубку. При этом отмечено снижение

урожайности до 40% [50]. В опытах с зерновыми, характеризующимися кущением,

при котором появление боковых пооегов растянуто во времени как в пределах

отдельного растения, так и у различных представителей в популяции,

возникают трудности, связанные со спецификой данной культуры.

В опытах, проведенных в Великобритании в 1973 г., в посевах яровой

пшеницы сорта Sirius на 1 апреля пыльники немногих растений находились в

премейотической фазе (наиболее эффективный период для нанесения препарата),

5 апреля — 5/%, а 10 апреля — 100% пыльников всех растений находились в

постмеиотической фазе и только третьи и четвертые цветки и молодые колоски

имели более раннюю фазу развития [80].

С возрастом пыльники становятся менее чувствительными к этрелу, и для

достижения нужного эффекта потерю чувствительности компенсируют повышением

дозы гаметоцида. Однако при этом возникает опасность редукции женской фер-

тильности. Сжатые сроки обработки (от 5 до 12 дней) между двумя периодами

развития должны совпадать с премейотической фазой в археспориальной ткани и

мейозом. Вторичную обработку следует проводить в конце мейоза. [47]. Таким

образом, наиболее эффективный период воздействия этрела может включать

мейоз и даже раннюю фазу развития пыльцы, но высокие концентрации

препарата, необходимые для хорошей индукции мужской стерильности, влияют на

рост и развитие самого растения. Разрыв во времени между двумя обработками

может быть более длительным (до двух недель) в зависимости от климатических

условий (осадки, пониженная температура).

Страницы: 1, 2, 3